Способ защиты от разрушений энергетических установок, использующих водород в качестве рабочего тела

 

Использование: машиностроение, в частности энергетические установки, использующие водород в качестве горючего. Сущность изобретения: способ защиты от разрушений энергетических установок, использующих водород в качестве рабочего тела, основан на свойстве некоторых газообразных добавок, обладающих специфическим электронным строением молекул, к превентивной адсорбции на металлической поверхности. В отличие от известных принципов защиты элементов конструкций от водородного охрупчивания предлагается с помощью специального устройства - дозатора подавать в рабочее тело газообразный водород высокого давления, оптимальное количество активных газообразных добавок на основе F, Cl, O, S, препятствующих адсорбции и поглощению водорода металлами и снижающих водородную деградацию служебных свойств конструкционных материалов.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано при создании двигателей внутреннего сгорания, турбомашин, ракетных, реактивных двигателей и т.п. установок, использующих водород в качестве горючего.

Известно, что рабочее тело таких энергоустановок водород в той или иной степени взаимодействует практически со всеми конструкционными металлическими материалами, при этом хрупкость, обусловленная газообразным водородом, может приводить к катастрофическим разрушениям установок. Вместе с тем чувствительность различных металлических материалов к охрупчиванию газообразным водородом различна, и с начала использования водорода в качестве энергоносителя для исключения "водородного" разрушения элементов конструкций энергоустановок использовали материалы, мало чувствительные к водороду, проводили конструктивные мероприятия, снижающие уровень действующих напряжений ниже пороговых разрушающих или защищали элементы конструкций нанесением поверхностных барьерных покрытий, препятствующих проникновению водорода [1] Недостаток известного способа заключается в технологической сложности и трудоемкости нанесения барьерных покрытий в рабочих полостях изделий, невозможности полного исключения присущих производству дефектов (подрезов, непроваров, отслоения покрытий и т.п.) очагов разрушения, а также в высокой стоимости и дефицитности применяемых конструкционных материалов, переутяжелении и значительной металлоемкости энергоустановок, что не позволяет получать высоких удельных весовых характеристик.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение названных недостатков известного способа защиты энергоустановок, использующих водород в качестве горючего, обусловленных водородной хрупкостью конструкционных материалов. Поставленная цель достигается тем, что в рабочее тело - газообразный водород высокого давления подают газообразные добавки со специфическими ненасыщенными связями молекул (F₂, Cl₂, O₂, CO, SO₂ и т.п. соединения элементов F, O, Cl, S), которые благодаря превентивной адсорбции изменяют характер взаимодействия системы поверхности металла водород и в условиях конкурирующей адсорбции различных элементов препятствуют хемосорбции и проникновению водорода в металл и охрупчиванию последнего. Количество вводимых ингибирующих добавок зависит от их природы, температуры и давления рабочего тела водорода, конструктивных особенностей защищаемой установки. Нижний предел содержания добавок ограничен количеством центров хемосорбции на поверхности металла и соответствует ≈ 10^-4 об. верхний допустимым критическим содержанием в водороде, не приводящим к реакции горения или ухудшению служебных характеристик рабочей смеси. Подача ингибирующих добавок в рабочее тело - водород осуществляется с помощью специального устройства дозатора, дополнительно вводимого в пневмогидросистему энергоустановки.

Существо влияния ингибирующих добавок на критерии работоспособности конструкционных материалов и, соответственно, элементов конструкций подтверждается введением в газообразный водород давлением 30 МПа 0,3 об. кислорода. Так, для сильно охрупчиваемой водородом комнатной температуры хромоникельмолибденовой аустенитно-мартенситной стали 06Х13Н8М3Л критерии работоспособности β (отношение какой-либо механической характеристики материала, полученной при испытаниях в водороде, к той же характеристике при испытаниях на воздухе; нижний индекс характеристика) в чистом водороде давлением 30 МПа составляют: βσ_в= 0,85; βΨ = 0,25; βτ^н_в = 0,58; βΨ^н= 0,30; а в водороде с добавлением 0,3 об. кислорода: βσ_в= 1,04; βΨ = 1,02; βτ^y_в = 0,77; βΨ^y= 0,60. Подобное ингибирующее влияние добавок кислорода и окиси углерода подтверждено авторами также на мартенситостареющей стали и никелевом сплаве при различных температурах. Допустимое в водород-кислородной смеси взрывобезопасное содержание кислорода при нормальных условиях составляет 6 об. а ингибирующее влияние кислорода при испытаниях в непроточной камере достигает насыщения при 5 об. кислорода.

Предлагаемый способ защиты элементов конструкций энергетических установок от охрупчивания газообразным водородом позволяет повысить ресурс и надежность работы энергоустановок, снизить технологическую трудоемкость, материалоемкость и стоимость изделий, исключить разрушения агрегатов, обусловленные невыявленными производственными дефектами и, в некоторых случаях, применить в существующих типах энергоустановок новое экологически чистое топливо водород без существенной переделки изделия и реорганизации рабочего процесса.

Формула изобретения

Способ защиты от разрушений энергетических установок, использующих водород в качестве рабочего тела, основанный на свойстве активных газообразных добавок к превентивной адсорбции на металлической поверхности, отличающийся тем, что с помощью дозатора в газообразный водород высокого давления подают оптимальное, в пределах от 10^-4 об. до допустимого критического содержания в водороде, количество газообразных соединений на основе F, Cl, O, S, снижающих водородную деградацию служебных свойств конструкционных материалов и исключающих катастрофическое разрушение энергетических установок.